ماذا يمكن أن يقال عن طرق التحويل المباشر للطاقة؟

تشير طريقة تحويل الطاقة المباشرة إلى هذا الإنتاج الطاقة الكهربائيةمن الحرارية، حيث يتم تقليل عدد المراحل الوسيطة لتحويل الطاقة أو على الأقل تبسيط عملية الحصول على الكهرباء من الحرارية. في أغلب الأحيان (ولكن ليس دائمًا) وهكذا، في الطريقة الهيدروديناميكية المغناطيسية للحصول على الطاقة الكهربائية من الطاقة الحرارية، والتي تصنف عادة كوسيلة لتحويل الطاقة المباشرة والتي سيتم مناقشتها أدناه، يتم الحفاظ على مرحلة تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.)) يتم استبعاد التحويل الوسيط للطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.

بمعنى أوسع، تشير طريقة تحويل الطاقة المباشرة إلى إنتاج الطاقة الكهربائية ليس فقط من الطاقة الحرارية، ولكن أيضًا من الطاقة الكيميائية (في خلايا الوقود) ومن طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي (في المحولات الكهروضوئية). هذه هي القضايا التي يتم تناولها في هذا القسم. بادئ ذي بدء، سوف نتعرف على الطريقة المغناطيسية الهيدروديناميكية، لأنها على ما يبدو أكثر تطورا من غيرها لتوليد كميات كبيرة من الكهرباء، وهذا ما يهمنا في المقام الأول وفقا لموضوع هذا الكتاب.

الطريقة الهيدروديناميكية المغناطيسية (طريقة MHD).تعتمد الطريقة الديناميكية المغناطيسية الفعلية لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية على استخدام نوعين من المحولات: محرك حراري يشبه توربينات الغاز، يحول الحرارة إلى طاقة حركية لنفاثة غازية (منتجات الاحتراق)، ومحرك غير عادي آلة كهروديناميكية، تحول الطاقة الحركية لنفث الغاز إلى طاقة كهربائية.

يحدث هذا على النحو التالي (الشكل 23). نتيجة لاحتراق الوقود العضوي (على سبيل المثال، الغاز الطبيعي)، يتم تشكيل منتجات الاحتراق الغازي. ومن الضروري ألا تقل درجة حرارتها عن 2500 درجة مئوية. وعند درجة الحرارة هذه، يصبح الغاز موصلاً للكهرباء وينتقل إلى حالة البلازما. وبعبارة أخرى، يحدث تأين الغاز: تتم إزالة الإلكترونات من جزيئات الغاز. تتأين البلازما عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (2500 درجة مئوية على الأقل) جزئيًا فقط: فهي لا تتكون فقط من منتجات التأين - الإلكترونات والأيونات الحرة المشحونة كهربائيًا (جسيمات موجبة الشحنة تتشكل نتيجة لفقد إلكترون واحد أو أكثر بواسطة جزيء)، ولكن أيضًا الجزيئات التي لم تخضع بعد للتأين.

كلما ارتفعت درجة الحرارة، كلما زاد تأين الغاز، وبالتالي الموصلية الكهربائية. عند درجة حرارة حوالي 10 آلاف درجة، يتأين أي غاز بالكامل - فهو يتكون فقط من إلكترونات حرة ونواة ذرية.

تسمى البلازما التي واجهناها عند النظر في العمليات النووية الحرارية، والتي تُقاس درجة حرارتها بعدة ملايين من الدرجات، بدرجة الحرارة المرتفعة. تسمى البلازما المستخدمة في مولدات MHD والتي يتم قياس درجة حرارتها بآلاف الدرجات بالحرارة المنخفضة.

ولكي تتمتع بلازما منتجات الاحتراق ذات درجة الحرارة المنخفضة بموصلية كهربائية كافية بالفعل عند درجة حرارة حوالي 2500 درجة مئوية، فمن الضروري إضافة إحدى المواد المؤينة بسهولة، وعادة ما تكون المعادن القلوية: الصوديوم أو البوتاسيوم أو السيزيوم. تتأين أبخرة هذه المواد عند درجة حرارة أقل.

تدخل البلازما مع إضافة صغيرة من مادة قابلة للتأين بسهولة عند درجة حرارة 2600 درجة مئوية، على سبيل المثال (الشكل 23) إلى قناة مولد MHD ومن خلال تقليل طاقتها الحرارية، يتم تسريعها هناك إلى سرعة قريبة من الصوت أو أعلى من ذلك. تتدفق البلازما الموصلة كهربائيًا عبر القناة، وتعبر خطوط الطاقة الخاصة بمجال مغناطيسي تم إنشاؤه خصيصًا، والذي يتمتع بتحريض عالٍ. إذا كان اتجاه حركة التدفق عموديًا على خطوط المجال المغناطيسي، وكانت الموصلية الكهربائية للبلازما، وسرعة التدفق وتحريض المجال المغناطيسي كبيرة بما فيه الكفاية، فوفقًا لقوانين الديناميكا الكهربائية، في الاتجاه العمودي على كليهما حركة التدفق وخطوط المجال المغناطيسي، من أحد جدران القناة إلى جدار آخر سيكون هناك تيار كهربائي يتدفق عبر البلازما. للقيام بذلك، بالطبع، من الضروري توصيل الأقطاب الكهربائية الموضوعة على الجدران المقابلة للقناة بدائرة خارجية.

كما يتبين مما سبق، فإن مبدأ تشغيل مولد MHD لا يختلف عن مبدأ تشغيل المولد الكهروميكانيكي التقليدي. وفي كلتا الحالتين، يعبر الموصل الكهربائي خطوط المجال المغناطيسي، ونتيجة لذلك يتم توليد قوة دافعة كهربية في الموصل. في المولد الكهروميكانيكي، يكون الموصل هو المعدن الموصل للكهرباء الموجود في العضو الدوار، وفي مولد MHD يكون عبارة عن تدفق من البلازما الموصلة للكهرباء.

تفاعل التيار الكهربائي، يتدفق عبر البلازما، مع التدفق المغناطيسي يخلق قوة تؤدي إلى إبطاء حركة البلازما على طول القناة. وبهذه الطريقة، يتم تحويل الطاقة الحركية لتدفق البلازما إلى طاقة كهربائية.

ما هو الجانب الجذاب لمولد MHD؟

كما نعلم جيدًا، لزيادة كفاءة المحرك الحراري، من الضروري زيادة درجة الحرارة الأولية لسائل العمل. لكن في المحركات الحرارية لمحطات الطاقة الحرارية - التوربينات البخارية - لا ترتفع درجة الحرارة الأولية لبخار الماء، كما سبق ذكره، فوق 540 درجة مئوية. ويفسر ذلك حقيقة أن العناصر الأكثر أهمية في التوربينات (خاصة الشفرات الدوارة) ) تتعرض في وقت واحد لدرجات حرارة عالية وحمل ميكانيكي ثقيل. لا توجد أجزاء متحركة في قناة مولد MHD على الإطلاق، وبالتالي فإن المادة التي تصنع منها العناصر الهيكلية الأكثر أهمية لا تتعرض لأي إجهاد ميكانيكي كبير. هذه واحدة من أهم مزايا مولد MHD.

وقد يلاحظ القارئ أنه لا توجد مادة يمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 2600 درجة مئوية. ألا يجعل هذا فكرة مولد MHD غير مجدية؟

في الواقع، مثل هذه المواد غير موجودة، ويجب تبريد العناصر الهيكلية ذات درجة الحرارة العالية (عادةً بالماء). ولكن تبريد العناصر الهيكلية الثابتة، كما هو الحال في مولد MHD، شيء آخر، وتبريد العناصر الدوارة (وبسرعة عالية جدًا)، كما هو الحال في التوربينات البخارية، شيء آخر.

تجدر الإشارة إلى أنه في مولد MHD، لا يمكن استخدام الغاز (البلازما) فحسب، بل أيضًا المعادن السائلة كمائع عمل. حالياً اهتمام كبيرجذب مولدات MHD البلازما. يمكن أن تكون مفتوحة أو مغلقة. نحن نتحدث عن تركيب MHD بلازما من النوع المفتوح.

عند الخروج من قناة مولد MHD، لا تزال منتجات الاحتراق (البلازما) تتمتع بدرجة حرارة عالية، عادة حوالي 2000 درجة مئوية. عند درجة حرارة منخفضة، تصبح البلازما موصلة للكهرباء بشكل غير كافٍ وبالتالي تستمر العملية في مولد MHD غير مربحة.

في الوقت نفسه، تحتوي منتجات الاحتراق عند الخروج من قناة مولد MHD أيضًا على درجة حرارة عالية (أعلى من فرن الغلاية التقليدية)، و الطاقة الحرارية، بطبيعة الحال، ينبغي استخدامها. أسهل طريقة لحل هذه المشكلة هي إجراء التثبيت على مرحلتين (انظر الشكل 23).

لذلك، يتم توفير الوقود، وهو مادة مضافة سهلة التأين ومؤكسد ساخن (على سبيل المثال، الهواء المخصب بالأكسجين) إلى غرفة الاحتراق. تدخل منتجات الاحتراق التي تبلغ درجة حرارتها حوالي 2600 درجة مئوية عبر الفوهة إلى قناة مولد MHD ( تظهر القناة في الشكل بشكل تخطيطي. لا يظهر في الصورة النظام المغناطيسي الذي يخلق المجال المغناطيسي، ونظام إزالة التيار، وتبريد جدران القناة.) ومن القناة (عند درجة حرارة حوالي 2000 درجة مئوية) - إلى مولد البخار. هنا، بسبب الحرارة المنبعثة من غازات العادم، يتم تسخين الماء ويتشكل بخار الماء ويسخن بشكل زائد. في مولد بخار أو في سخان هواء منفصل، يتم تسخين المؤكسد المرسل إلى غرفة الاحتراق. تتم إزالة المادة المضافة سهلة التأين من مولد البخار (ثم يتم استخدامها مرة أخرى). يظهر في الشكل. 23، فإن جزء طاقة البخار في الدائرة، من حيث المبدأ، لا يختلف عن ذلك الموضح في الشكل. 2 و 11 (مخططات محطات الطاقة الحرارية ومحطات الطاقة النووية).

الميزة الرئيسية لمحطة توليد الطاقة MHD هي أنها تتيح لك الحصول على كفاءة عالية، والتي، على ما يبدو، ستصل إلى 50-60 ( يتم تفسير هذه المجموعة الواسعة من قيم كفاءة محطات توليد الطاقة MHD بشكل أساسي من خلال إمكانية استخدام حلول تقنية مختلفة ودرجة حرارة تسخين المؤكسد المحققة (من 1500 إلى 2000 درجة مئوية).) مقابل 40% لأفضل محطات الطاقة الحرارية. تم تصميم معظم منشآت MHD التجريبية والصناعية التجريبية والقائمة حاليًا والتي قيد الإنشاء للعمل على وقود الغاز. ومع ذلك، في المستقبل، يعد استخدام الفحم أكثر واعدة.

ميزة أخرى مهمة لمحطات توليد الطاقة MHD هي قدرتها العالية على المناورة، والتي تم إنشاؤها من خلال القدرة على إيقاف تشغيل مرحلة MHD بالكامل.

يظهر في الشكل. 23، يُطلق على مخطط محطة توليد الطاقة MHD اسم مفتوح لأن سائل العمل لمولد MHD عبارة عن منتجات احتراق يتم إطلاقها في الغلاف الجوي بعد المرور عبر القناة ومولد البخار.

في العمل على إنشاء مولدات MHD قوية، يتعين على المرء أن يواجه مشكلات علمية وتقنية معقدة. وتشمل هذه مشكلة المواد المستخدمة في قنوات MHD، خاصة جدرانها الساخنة وأقطابها الكهربائية. بالطبع سيكون من الممكن باستخدام التبريد المكثف خفض درجة حرارة الجدران والأقطاب الكهربائية إلى درجة مقبولة تمامًا، مما يسمح بالتشغيل على المدى الطويل، لكن هذا سيؤدي إلى فقدان كبير للحرارة وانخفاض الكفاءة. لمولد MHD، بالإضافة إلى انخفاض درجة حرارة الجدار وطبقات البلازما القريبة من القطب الكهربائي، مما يقلل من توصيلها الكهربائي ويؤدي في النهاية إلى تدهور أداء المولد. ويتمثل التحدي في إنشاء مواد للجدران الساخنة والأقطاب الكهربائية التي يمكن أن تعمل لفترة طويلة وبشكل موثوق عند أعلى درجة حرارة ممكنة. ارتفاع درجة الحرارة. يتم وضع الكثير من الأمل على ثاني أكسيد الزركونيوم كمادة للأقطاب الكهربائية وعلى أكاسيد المعادن، وخاصة أكسيد المغنيسيوم، للجدران الساخنة.

إن إنشاء نظام مغناطيسي ليس بالمهمة السهلة، خاصة أنه من المرغوب فيه أن يكون هناك تحريض قدره 5 - 6 تسلا (50 - 60 ألف غاوس)، ويجب أن يكون طول القناة حوالي 20 مترًا والأكثر واعدة هو نظام مغناطيسي فائق التوصيل يتم تبريده بواسطة الهيليوم السائل.

وهناك قضايا معقدة أخرى تحتاج إلى حل. وتشمل هذه: إنشاء عاكس كهربائي فعال لتحويل التيار المباشر إلى تيار متردد (يتم الحصول على التيار المباشر في مولد MHD)، وجهاز لإزالة مادة مضافة سهلة التأين، وإنشاء مولد بخار بميزات خاصة، وبعضها الآخر .

على الرغم من كل الصعوبات، في الاتحاد السوفيتي، فإن العمل في مجال تحويل الطاقة MHD متقدم جدًا بحيث يجري العمل حاليًا لإنشاء منشأة MHD صناعية بسعة حوالي 500 ميجاوات.

يمكن الافتراض أنه سيتم استخدام منشآت MHD القوية في محطات الطاقة النووية في المستقبل. بعد ذلك، سيتم أخذ مكان غرفة الاحتراق بواسطة مفاعل نووي، ولن يكون سائل العمل لمولد MHD، بالطبع، منتجات احتراق، ولكن غاز أكثر سهولة في التأين، على سبيل المثال الهيليوم. نظرًا لأن الهيليوم سوف يدور بشكل طبيعي في حلقة مغلقة (تسمى دائرة محطة توليد الطاقة MHD مغلقة) ، يمكن استخدام معدن السيزيوم الأكثر تكلفة، ولكنه يزيد بشكل كبير من التوصيل الكهربائي للبلازما، كمواد مضافة سهلة التأين. مع الأخذ في الاعتبار كل ما سبق، يمكن أن تكون درجة الحرارة القصوى المطلوبة لبلازما الهيليوم والسيزيوم أقل - في حدود 1500 درجة مئوية (وليس 2600 درجة مئوية، كما هو الحال بالنسبة للدائرة المفتوحة).

لذلك، في المفاعل النووي، يجب تسخين الهيليوم إلى درجة حرارة لا تقل عن 1500 درجة مئوية. حاليا، لا توجد مثل هذه المفاعلات النووية ذات درجة الحرارة العالية. ولكن يمكننا أن نأمل أن يكون خلقهم مسألة وقت.

من بين الطرق الأخرى للتحويل المباشر للطاقة، يعد استخدام المحولات الكهروضوئية ذا أهمية كبيرة (تمت مناقشتها بالفعل في القسم " طاقة شمسية")، والمولدات الكهربائية الحرارية، والمحولات الحرارية وخلايا الوقود. ومع ذلك، فإن آفاق استخدام هذه الأساليب والأجهزة في قطاع الطاقة على نطاق واسع ليست واضحة تمامًا بعد. لذلك، سوف نتناولها لفترة وجيزة.

المولدات الحرارية (TEG).يعتمد تشغيل المولد الكهروحراري على تأثير Seebeck المعروف في الفيزياء. وهو يتألف من حقيقة أنه في دائرة كهربائية تتكون من عناصر مختلفة، بشرط أن تكون نقاط الاتصال (الوصلات) بينها ذات درجات حرارة مختلفة، تنشأ قوة دافعة كهربائية.

في الشكل. يوضح الشكل 24 هذه الدائرة الكهربائية التي تتكون من موصلين - النحاس والكونستانتان (سبيكة من النحاس والنيكل) تستخدم لقياس درجة الحرارة. أحد الوصلات عند درجة الحرارة التي يجب قياسها ( تينيسي) والآخر على درجة حرارة ثابتة ( ر 0)، على سبيل المثال، عند درجة حرارة ثابتة عمليا لخليط من الماء والثلج. من خلال مقدار القوة الدافعة الكهربية المقاسة بواسطة الجلفانومتر، يمكن تحديدها بدرجة عالية من الدقة تينيسي.

إذا قمت بعمل دائرة كهربائية متصلة على التوالي مواد مختلفة(عادةً أشباه الموصلات)، وبعبارة أخرى، دائرة من العناصر الحرارية الفردية، ثم تحصل على مولد كهربائي حراري. ستكون القوة الدافعة الكهربائية التي تولدها متناسبة مع عدد العناصر الحرارية.

وبالتالي، فإن العنصر الحراري، مثل مولد MHD، يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية. وبالتالي فإن كفاءة العنصر الحراري تخضع للقانون الثاني للديناميكا الحرارية.

ولسوء الحظ، لا تزال المولدات الكهربائية الحرارية باهظة الثمن وكفاءتها منخفضة. ولذلك، يتم استخدامها كمصادر طاقة صغيرة، وعادة ما تكون مستقلة.

المحولات الحرارية (TEC).إذا تم وضع أي جسم صلب (معدن، أشباه الموصلات) في الفراغ، فسوف يذهب عدد معين من الإلكترونات من هذا الجسم إلى الفراغ ( لوحظت الظاهرة الموصوفة أيضًا في السوائل.). وتسمى هذه الظاهرة بالانبعاث الحراري، ويسمى الجسم الصلب الذي ينبعث منه الإلكترونات بالباعث. كلما ارتفعت درجة حرارة الباعث، كلما زاد انبعاث الإلكترون. أثناء انبعاث الإلكترونات، يبرد الباعث. بعد مرور بعض الوقت على بدء انبعاث الإلكترون (بعد وضع الجسم في الفراغ)، سيتم إنشاء التوازن: كم عدد الإلكترونات التي ستخرج من كل وحدة زمنية؟ صلببسبب انبعاث الإلكترونات، ستعود إليه نفس الكمية نتيجة ما يسمى بتكثيف الإلكترونات. لم يعد يحدث تبريد المادة الصلبة في حالة التوازن.

لكن يمكنك فعل ذلك بطريقة مختلفة: ضع جسمين (قطبين كهربائيين) في فراغ، ويتم إمداد أحدهما بالحرارة (القطب الباعث) والحفاظ عليه عند درجة حرارة أعلى، ويتم إزالة الحرارة من الثاني (القطب المجمع) لذلك أن درجة الحرارة ظلت أقل.

إذا كان الباعث والمجمع مغلقين الآن بدائرة كهربائية خارجية، فسوف يتدفق التيار من خلالهما؛ سيصبح الجهاز الموصوف مصدرًا حاليًا، وهو محول حراري (TEC). مما سبق يترتب على أن TEC (وكذلك TEG) يحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية (متجاوزاً المرحلة الطاقة الميكانيكية) وبالتالي فهو يخضع للقيود التي وضعها القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

فإذا أمكن باستخدام TEP الحصول على كميات كبيرة من الكهرباء، وكانت مؤشراته الفنية والاقتصادية الرئيسية (التكلفة والكفاءة) مواتية، فسيحصل قطاع الطاقة، على شكل TEP، على مولد كهربائي جيد يعمل على مبدأ تحويل الطاقة المباشرة.

في الوقت الحاضر، لم يتم بعد تحقيق مثل هذه المؤشرات الفنية والاقتصادية لـ TEP التي يمكن أن ترضي قطاع الطاقة. لذلك، لا يزال يتم استخدام TECs، مثل TEGs، في الحالات التي تتطلب قدرات منخفضة نسبيًا. ومع ذلك، يتم العمل على تحسين مؤشرات TEP بوتيرة عالية.

خلايا الوقود. تقوم خلية الوقود بتحويل الطاقة الكيميائية مباشرة إلى طاقة كهربائية. ما هو مبدأ التشغيل وما هو هيكل خلية الوقود؟

يمكنك، على سبيل المثال، حرق الهيدروجين في جو الأكسجين. ونتيجة لذلك، يتكون الماء وتنطلق الحرارة، والتي يمكن بعد ذلك استخدامها في محرك الطاقة الحرارية. أو يمكنك السير في الاتجاه الآخر، كما هو الحال في خلية الوقود، عن طريق تقسيم تفاعل احتراق الهيدروجين إلى عمليتين، إحداهما تتضمن الهيدروجين، والأخرى - الأكسجين.

يظهر مخطط خلية الوقود في الشكل. 25. يتكون من قطبين كهربائيين، أحدهما مزود بالهيدروجين والآخر بالأكسجين والكهارل. هناك فرق كبير بين خلية الوقود والبطارية الكهربائية وميزتها هو أن إمدادات الوقود والمؤكسد في خلية الوقود، في هذه الحالة الهيدروجين والأكسجين، يتم تجديدها بشكل مستمر.

الهيدروجين، الذي يسقط على قطب كهربائي معدني ويكون عند فصل ثلاث مراحل - القطب الصلب والكهارل والمرحلة الغازية - يدخل في الحالة الذرية (ينقسم جزيء ثنائي الذرة إلى ذرات)، وتنقسم الذرات إلى إلكترونات حرة ونواة ذرية (الأيونات). تدخل الإلكترونات إلى المعدن، وتذهب النوى الذرية إلى المحلول (المنحل بالكهرباء). ونتيجة لذلك، يتم تشبع القطب بالإلكترونات سالبة الشحنة، والكهارل مشبع بأيونات موجبة الشحنة.

وتحدث عملية مماثلة على القطب الثاني، الذي يتم توفير الأكسجين له. نتيجة للعمليات التي تحدث على سطح القطب، تظهر عليه شحنات كهربائية موجبة. بالإضافة إلى ذلك، تظهر أيونات OH سالبة الشحنة، والتي تبقى في المنحل بالكهرباء وتشكل الماء مع أيونات الهيدروجين.

إذا قمت بتوصيل كلا القطبين الكهربائيين بدائرة خارجية، فسوف ينشأ تيار كهربائي (الشكل 25). وبهذه الطريقة تتحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. نظرًا لأن خلية الوقود لا تحتوي على الخطوة الوسيطة لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية، فإن كفاءتها ليس لها حدود المحرك الحراري. تعمل خلية الهيدروجين والأكسجين في درجات حرارة منخفضة، ويمكن أن تصل كفاءتها بسهولة إلى 65 - 70٪.

ومع ذلك، لا ينبغي للمرء أن يعتقد أن إنشاء خلية وقود هو أمر بسيط وسهل. عادة ما يكون كل شيء بسيطًا نسبيًا طالما أننا نتحدث عن المخطط، ولكن بمجرد الانتقال إلى تنفيذه، تظهر الكثير من الصعوبات. وليس من قبيل الصدفة إذن أن فكرة خلية الوقود ظهرت في منتصف القرن التاسع عشر، ولكن حتى يومنا هذا لا يوجد تصميم مناسب للاستخدام على نطاق واسع.

هناك صعوبات كثيرة في مشكلة خلايا الوقود: تنفيذ جميع العمليات بسرعة عالية (مفتاح الحصول على صلاحيات مطلقة ومحددة كبيرة)؛ اختيار المواد وإنشاء أقطاب كهربائية عالية الجودة؛ إنشاء إلكتروليتات عالية الكفاءة (سائلة وصلبة حسب نوع خلية الوقود)؛ إمكانية العمل على الوقود الرخيص.

يتعلق الاختراع بمحولات طاقة التيار الحر، على سبيل المثال في مجال طاقة الرياح، والطاقة غير التقليدية، والطاقة الكهرومائية، وكذلك في الأجهزة. يتم استخدام تأثيرين فيزيائيين معًا: التذبذبات الذاتية والحث الكهرومغناطيسي. يتم تحويل طاقة التدفق القادم بسبب الحث الكهرومغناطيسي الذي يحدث أثناء التذبذبات الذاتية للأوتار المعدنية (الموصلات المرنة) الموضوعة في التدفق القادم والموجودة في مجال مغناطيسي. وفقًا لقانون الحث الكهرومغناطيسي، يصبح الخيط المعدني، الذي يقوم بحركات تذبذبية في مجال مغناطيسي، مولدًا للطاقة الكهربائية (التيار). تتيح لك إحدى ميزات الطريقة زيادة قوة المحول عن طريق زيادة عدد السلاسل في المحول إلى العدد المطلوب. 1 مريض.

يتعلق الاختراع بمحولات طاقة التيار الحر ويمكن استخدامها في مجال طاقة الرياح والطاقة غير التقليدية والطاقة الكهرومائية، وكذلك في الأجهزة.

لتحويل الطاقة الحركيةمن المعروف أن توربينات الرياح ذات محور الدوران الرأسي والأفقي تتدفق إلى الكهرباء.

توربينات الرياح ذات المحور العمودي للدوران لها عدد من العيوب:

بطء؛

يستخدمون علب التروس، مما يقلل بشكل كبير من كفاءة وموثوقية توربينات الرياح.

إن الحجم المحدود لشفرات توربينات الرياح ذات المحور الأفقي يحدد القيود المفروضة على قوة توربينات الرياح، واستخدام جهاز لتحويل المكره في اتجاه عمودي على حركة تدفق الرياح يؤدي إلى انخفاض في الموثوقية وكفاءة توربينات الرياح، كما يزيد من تكلفتها.

يُعرف محول طاقة التدفق (انظر RU 2142572 C1، المنشور في 10 ديسمبر 1999، IPC 6 F 03 D 5/06)، والذي يستخدم تحويل الطاقة الحركية للتدفق إلى إمكانات، ثم إلى ميكانيكية. يتم استخدام جسم مجوف لهذا الغرض. إنه يحل محل المكره (الشفرات)، مما يقلل من الحجم ويزيد من موثوقية محول طاقة التدفق.

عيب هذا المحول هو استخدام محولات الحركة الميكانيكية، مما يقلل من الكفاءة والموثوقية ويزيد من تكلفة وحجم محول طاقة التدفق.

الحل الأقرب (النموذج الأولي) هو طريقة لتحويل الطاقة، والتي تتمثل في حقيقة أن التحويل يتم بسبب الحث الكهرومغناطيسي عن طريق وضع موصل في مجال مغناطيسي وتعريضه لتدفق وارد (انظر JP 11294314، IPC 7 ف 03 د 9/00، نشر.

عيب هذه الطريقةهي كفاءتها المنخفضة.

الهدف الفني للاختراع هو زيادة كفاءة استخدام هذه الطريقة.

يتم تحقيق النتيجة التقنية من خلال حقيقة أنه في طريقة تحويل الطاقة، والتي تتمثل في حقيقة أن التحويل يتم عن طريق الحث الكهرومغناطيسي عن طريق وضع موصل في مجال مغناطيسي وتعريضه لتدفق وارد، يتم استخدام خيوط معدنية مرنة يتم وضعها كموصل.

يظهر الرسم التوضيحي لتشغيل المحول المقترح.

التذبذبات الذاتية لسلسلة معدنية مشدودة 1 موضوعة في مجال مغناطيسي 2 مدعومة بالطاقة الحركية للتدفق القادم 3.

يتم تحديد تردد وسعة تذبذبات الحالة المستقرة من خلال معلمات السلسلة ومعلمات تفاعلها مع التدفق القادم. تردد اهتزاز السلسلة (ν):

حيث S هي مساحة المقطع العرضي؛

س - التوتر.

ρ - كثافة المواد؛

n هو عدد صحيح.

وفقًا لقانون الحث الكهرومغناطيسي، يصبح الخيط المعدني (1)، الذي يؤدي حركات تذبذبية في مجال مغناطيسي (2)، مولدًا للطاقة الكهربائية (التيار).

يمكن تقدير القوة الدافعة الكهربائية الناتجة (∈) باستخدام الصيغة:

حيث v هي سرعة الحركة؛

ب - قوة المجال المغناطيسي.

ل هو طول الموصل.

α هي الزاوية بين خطوط المجال المغناطيسي والسلسلة.

تتيح لك إحدى ميزات الطريقة زيادة قوة المحول عن طريق زيادة عدد السلاسل في المحول إلى العدد المطلوب.

طريقة لتحويل الطاقة، والتي تتمثل في أن التحويل يتم عن طريق الحث الكهرومغناطيسي عن طريق وضع موصل في مجال مغناطيسي وتعريضه لتدفق وارد، وتتميز بوضع سلاسل معدنية مرنة كموصل.

ابتكرت مجموعة من العلماء الروس جهازًا فريدًا يسمح لهم بإنتاج كميات هائلة من الكهرباء مجانًا.

العالم الروسي الشهير أ.و. وقال عنه شاخينوف: "هذا الاختراع وثيق الصلة بقرننا الحادي والعشرين، لذلك في وقت ما، عندما تم اختراع محطة للطاقة الكهرومائية، حدثت ثورة؛ كان من الممكن الحصول على الطاقة دون إنفاق موارد الاحتياطيات المستنفدة بالفعل من الموارد المعدنية في العالم."

ينتج الجهاز الكهرباء حرفيًا من الهواء الرقيق. محول الطاقة هذا مناسب بشكل خاص للمدن الحديثة الكبيرة.

هذه ليست محطة للطاقة الكهرومائية التي تتطلب بالضرورة وجود نهر.

إنها ليست محطة مد وجزر تتطلب بالضرورة البحر أو البحيرة. وهذه ليست محطات طاقة الرياح، والتي تعمل فقط في حالة وجود الرياح. يعمل محول الطاقة الخاص بنا في أي مدينة حديثة ولا يعتمد على الماء أو الرياح أو المد والجزر.

جوهر الاختراع: ألواح خاصة مدمجة في طرقات المدينة.

عندما يصطدم أي نوع من المركبات بمثل هذه اللوحة، يتم توليد الطاقة. وعلاوة على ذلك، فإنه ينتج جدا عدد كبيرطاقة. يرجى ملاحظة أنه إذا وضعت مثل هذه اللوحة على طريق سريع مزدحم، فسوف تتدفق الطاقة إلى ما لا نهاية.

وفقًا لخبرائنا، سيتمكن جهازان من هذا النوع من تشغيل مبنى كبير مكون من 9 طوابق و108 شقة على مدار الساعة! يرجى ملاحظة أنه لا توجد تكاليف أخرى غير الشراء الأولي وتثبيت المحول. لن يعتمد مثل هذا المنزل على أي محطات طاقة أخرى غير محطاته المحلية.

عند بناء منازل جديدة، يمكنك إضافة محولنا إلى المشروع. وسيكون الطلب على مثل هذا السكن رائعًا حقًا. بعد كل شيء، من يريد شراء شقة يتعين عليك فيها دفع ثمن الكهرباء باستمرار - إذا كان بإمكانك شراء مسكن يمكنك العيش فيه ولا تقلق بشأن ارتفاع أسعار الكهرباء. الطاقة في مثل هذه المنازل ستكون مجانية تمامًا.

ولكن ليس فقط المباني السكنية يمكنها استخلاص الطاقة من المحول. ففي نهاية المطاف، هناك مؤسسات في كل مكان تحتاج إلى مصدر دائم للطاقة.

هنا خيار واحد. إذا تم تثبيت اثنين من المحولات في المطار، فلن يحتاج المطار إلى الأسلاك من محطات الطاقة الأخرى، والتي، كما هو الحال دائما، ليست موجودة في مكان قريب. بالإضافة إلى حقيقة أنه لن تكون هناك تكاليف إضافية لكل كيلومتر من الأسلاك، فلن تكون هناك حاجة أيضًا إلى دفع عدد لا نهاية له من الفواتير من محطات الطاقة، والتي تسلب جزءًا كبيرًا من الربح. سيكون مثل هذا المطار قادرًا على نسيان إيصالات دفع الكهرباء. لن تكون هناك حاجة لهم.

لنأخذ المدينة ككل. إذا تم تركيب 100 جهاز من هذا القبيل على طول الطريق السريع الرئيسي، فإن هذا الطريق سيوفر الطاقة للمدينة بأكملها. سوف يتحسن الأداء البيئي بشكل ملحوظ. وسوف تختفي الهياكل الضخمة على شكل مداخن تدخين رهيبة.

أي أنها طريقة صديقة للبيئة وآمنة ومجانية لتوليد الطاقة.

المحول عبارة عن علبة تروس مزودة بجهاز تخزين الطاقة - دولاب الموازنة، الذي يدور بسبب الحركة الانتقالية للدافع ودوران قطاع التروس في محرك الأقراص. يتم تثبيت الدافع عموديًا من خلال اتصال مفصلي لمنصتين معدنيتين عبر كامل عرض الطريق، ويبلغ طوله الأمثل 20 مترًا على جانبي المفصلة، ​​وتكون النقطة العلوية للمفصلة من مستوى سطح الطريق على ارتفاع 0.5 متر.

تتحرك السيارة على طول المنصات، وتسحب الدافع من خلال المفصلة، ​​وتدور دولاب الموازنة - وهو جهاز تخزين الطاقة.

وبعد مرور المركبة عبر المنصات، تعود الأخيرة إلى وضعها الأصلي باستخدام أبسط آلية عودة.

وبذلك يستخدم المحول مصدراً ثانوياً للطاقة، وقد تم بالفعل صرف المصدر الأساسي (النفط والغاز والفحم) على حركة السيارة، بينما يمكن تحويل المركبات الكهربائية إلى طاقة مباشرة من المحولات المثبتة على المسارات.

المشروع جاهز للتنفيذ، ويتم تنظيم المشروع على أساس أي مؤسسة لبناء الآلات ولا يغير بشكل أساسي وجوهري تنظيم الإنتاج العامل فيه.

يحتوي المحول على وحدة طاقة، بما في ذلك آليات الحمل والمساواة المترابطة حركيًا وعمود استهلاك الطاقة. آلية الشحن مصنوعة على شكل منصتين متحركتين مفصليتين ومتصلتين ببعضهما البعض. يتم تركيب المنصات مع جوانبها الداعمة مع إمكانية الحركة الترددية للجوانب الداعمة في اتجاه المحور الطولي للطريق. المنصات هي جزء من الطريق. يتم توجيه محور المفصل المفصلي للمنصات بالتوازي مع الجوانب الداعمة للمنصات وعموديًا على المحور الطولي للطريق.

تتم آلية الموازنة على شكل آلية العودة، والتي تحتوي على الأقل على قوسين يوضعان على جانبي الطريق، وعلى الأقل كتلتين موضوعتين على الأقواس، وثقلين على الأقل، وكابلين على الأقل، لكل منهما طرف واحد من خلال الكتلة يتم توصيله بأحد الأحمال، والثاني - بآلية التحميل مباشرة عند المفصلة المفصلية. يتم الاتصال الحركي لآلية التحميل بعمود مستهلك الطاقة من خلال محرك الطاقة.

يحتوي محرك الطاقة على دافع، وقضيب توصيل، وقطاع تروس، وآلية سقاطة مع محرك وتروس مدفوعة، وترس محرك لعمود مستهلك الطاقة، وترس مدفوع لعمود مستهلك الطاقة، متصل بشكل صارم بهذا العمود.

في عام 1998، قامت شركة تقييم بتقييمه لنا (النموذج الأولي) بـ 48 ألف دولار. ولكن هذا بدون تثبيت الجهاز على الطريق.

ومع تركيبه على الطريق سيكون ضعف ذلك تقريبا أي. حوالي 100 ألف دولار.

فترة الاسترداد للمشروع هي سنة واحدة.

أ.ن. بريكيل

تنقسم الآلات الكهربائية حسب الغرض إلى نوعين رئيسيين: مولدات كهربائيةو المحركات الكهربائية. تم تصميم المولدات لتوليد الطاقة الكهربائية، وتم تصميم المحركات الكهربائية لقيادة مجموعات عجلات القاطرات، وتدوير أعمدة المراوح، والضواغط، وما إلى ذلك.

في الآلات الكهربائية تحدث عملية تحويل الطاقة. تقوم المولدات بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. وهذا يعني أنه لكي يعمل المولد، يجب أن يتم تدوير عموده بواسطة نوع من المحرك. في قاطرة الديزل، على سبيل المثال، يتم تشغيل المولد بواسطة محرك ديزل، في محطة توليد الطاقة الحرارية - بواسطة توربين بخاري.

ومن ناحية أخرى، تقوم المحركات الكهربائية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. ولذلك، لكي يعمل المحرك، يجب أن يكون متصلاً عن طريق الأسلاك بمصدر للطاقة الكهربائية، أو كما يقولون، متصلاً بالشبكة الكهربائية.

يعتمد مبدأ تشغيل أي آلة كهربائية على استخدام ظواهر الحث الكهرومغناطيسي وظهور القوى الكهرومغناطيسية أثناء تفاعل الموصلات مع التيار والمجال المغناطيسي.تحدث أثناء تشغيل كل من المولد والمحرك الكهربائي. لذلك، غالبا ما يتحدثون عن أوضاع المولد والمحرك لتشغيل الآلات الكهربائية.

في الآلات الكهربائية الدوارة، يشارك جزأين رئيسيين في عملية تحويل الطاقة: عضو الإنتاج والمحرِّض بلفاته، التي تتحرك بالنسبة لبعضها البعض. يقوم المحث بإنشاء مجال مغناطيسي في السيارة.

في لف المحرك. ويحدث تيار كهربائي. عندما يتفاعل التيار الموجود في ملف عضو الإنتاج مع المجال المغناطيسي، تتولد قوى كهرومغناطيسية، والتي من خلالها تتحقق عملية تحويل الطاقة في الآلة.

حول تنفيذ عملية تحويل الطاقة في الآلة الكهربائية

الأحكام التالية مستمدة من نظريات الطاقة الكهربائية الأساسية لبوانكاريه وباركهاوزن:

1) لا يمكن التحويل المتبادل المباشر للطاقة الميكانيكية والكهربائية إلا إذا كانت الطاقة الكهربائية هي طاقة التيار الكهربائي المتناوب؛

2) لتنفيذ عملية تحويل الطاقة هذه، من الضروري أن يكون هناك في نظام الدوائر الكهربائية المخصصة لهذا الغرض إما محاثة كهربائية متغيرة أو سعة كهربائية متغيرة،

3) من أجل تحويل طاقة التيار الكهربائي المتناوب إلى طاقة تيار كهربائي مباشر، من الضروري أن يتمتع نظام الدوائر الكهربائية المخصص لهذا الغرض بمقاومة كهربائية متغيرة.

ويترتب على المقام الأول أنه لا يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية في الآلة الكهربائية إلا إلى طاقة تيار كهربائي متناوب أو العكس.

يتم حل التناقض الواضح لهذا البيان مع حقيقة وجود الآلات الكهربائية ذات التيار المباشر من خلال حقيقة أنه في "آلة التيار المستمر" لدينا تحويل للطاقة على مرحلتين.

وهكذا، في حالة مولد آلة كهربائية ذات تيار مستمر، لدينا آلة يتم فيها تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة تيار متردد، وهذه الأخيرة، بسبب وجود جهاز خاص يمثل “المقاومة الكهربائية المتغيرة”، يتم تحويلها إلى الطاقة الحالية المباشرة.

يتم لعب دور المقاومة الكهربائية المتغيرة المذكورة عن طريق "الاتصال الكهربائي المنزلق"، والذي يتكون في "آلة عاكس التيار المستمر" التقليدية من "فرشاة آلة كهربائية" و"مبدل آلة كهربائية"، وفي "آلة كهربائية أحادية القطب تعمل بالتيار المستمر". "آلة" من "فرشاة الآلة الكهربائية" و"مفاتيح تبديل الآلة الكهربائية".

نظرًا لأنه من أجل إنشاء عملية تحويل الطاقة في الآلة الكهربائية، من الضروري أن يكون هناك إما "محاثة كهربائية متغيرة" أو "سعة كهربائية متغيرة"، فيمكن تصنيع الآلة الكهربائية إما على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي أو على مبدأ مبدأ الحث الكهربائي. في الحالة الأولى، نحصل على "آلة حثي"، في الثانية - "آلة سعوية".

الآلات السعوية ليس لها أهمية عملية بعد. الآلات الكهربائية المستخدمة في الصناعة والنقل والحياة اليومية هي آلات حثية، والتي تأصل وراءها الاسم المختصر "الآلة الكهربائية"، وهو في الأساس مفهوم أوسع.

مبدأ تشغيل المولد الكهربائي.

أبسط مولد كهربائي هو ملف يدور في مجال مغناطيسي (الشكل 1، أ). في هذا المولد، يمثل المنعطف 1 ملف عضو الإنتاج. المحث عبارة عن مغناطيس دائم 2، يدور بينه عضو الإنتاج 3.

أرز. 1. الرسوم التخطيطية لأبسط مولد (أ) ومحرك كهربائي (ب)

عندما يدور الملف بتردد دوران معين n، فإن جوانبه (الموصلات) تتقاطع مع خطوط المجال المغناطيسي للتدفق Ф ويتم إحداث e في كل موصل. د.س. ه. عند قبولها في الشكل. 1، واتجاه دوران عضو الإنتاج هو e. د.س. في موصل يقع تحت القطب الجنوبي حسب القاعدة اليد اليمنىموجهة بعيدا عنا، وه. د.س. في موصل يقع تحت القطب الشمالي - لنا.

إذا قمت بتوصيل مستقبل الطاقة الكهربائية 4 بملف عضو الإنتاج، فسوف يتدفق التيار الكهربائي عبر الدائرة المغلقة في موصلات ملف عضو الإنتاج، وسيتم توجيه التيار بنفس طريقة e. د.س. ه.

دعونا نكتشف لماذا، لتدوير عضو الإنتاج في مجال مغناطيسي، من الضروري استهلاك الطاقة الميكانيكية التي يتم الحصول عليها من محرك ديزل أو توربين (المحرك الأساسي). عندما يمر التيار عبر الموصلات الموجودة في مجال مغناطيسي، تؤثر قوة كهرومغناطيسية F على كل موصل.

عندما يشار في الشكل. 1، وفي اتجاه التيار وفقًا لقاعدة اليد اليسرى، تؤثر القوة F الموجهة إلى اليسار على موصل يقع أسفل القطب الجنوبي، والقوة F الموجهة إلى اليمين تؤثر على موصل يقع تحت القطب الجنوبي. القطب الشمالي. تخلق هذه القوى معًا لحظة كهرومغناطيسية M موجهة في اتجاه عقارب الساعة.

من النظر في الشكل. 1، ولكن من الواضح أن يتم توجيه العزم الكهرومغناطيسي M، الذي يحدث عندما يطلق المولد طاقة كهربائية، في الاتجاه المعاكس لدوران الموصلات، لذلك فهي لحظة فرملة تميل إلى إبطاء دوران عضو توليد المولد.

من أجل منع المرساة من التوقف، من الضروري تطبيق عزم دوران خارجي Mvn على عمود المحرك، مقابل اللحظة M ويساوي حجمها. مع الأخذ في الاعتبار الاحتكاك والخسائر الداخلية الأخرى في الماكينة، يجب أن يكون عزم الدوران الخارجي أكبر من عزم الدوران الكهرومغناطيسي M الناتج عن تيار حمل المولد.

وبالتالي، من أجل مواصلة التشغيل العادي للمولد، من الضروري توفير الطاقة الميكانيكية له من الخارج - لتدوير المحرك الخاص به بواسطة نوع ما من المحرك 5.

عندما لا يكون هناك حمل (مع فتح الدائرة الخارجية للمولد)، يكون المولد في وضع الخمول. في هذه الحالة، تكون كمية الطاقة الميكانيكية المطلوبة من محرك الديزل أو التوربين ضرورية فقط للتغلب على الاحتكاك وتعويض خسائر الطاقة الداخلية الأخرى في المولد.

مع زيادة حمل المولد، أي الطاقة الكهربائية التي ينتجها، فإن التيار I الذي يمر عبر موصلات ملف المحرك وعزم دوران الكبح M الناتج عنه يزيد، وبالتالي، القوة الميكانيكية Pmx، التي يولدها المولد يجب أن تستقبل من محرك ديزل أو توربينات لمواصلة التشغيل العادي.

وبالتالي، كلما زادت الطاقة الكهربائية التي تستهلكها، على سبيل المثال، المحركات الكهربائية لقاطرة الديزل من مولد القاطرة، كلما زادت الطاقة الميكانيكية التي تستهلكها من محرك الديزل الذي يقوم بتدويرها وزادت الحاجة إلى توفير الوقود لمحرك الديزل.

من ظروف تشغيل المولد الكهربائي التي تمت مناقشتها أعلاه يتبين أنه يتميز بما يلي:

1. صدفة في اتجاه التيار i و e. د.س. في الموصلات من لف حديد التسليح. يشير هذا إلى أن الآلة تقوم بتوصيل الطاقة الكهربائية؛

2. حدوث عزم دوران كهرومغناطيسي للكبح M موجه ضد دوران عضو الإنتاج. وهذا يعني حاجة الآلة للحصول على الطاقة الميكانيكية من الخارج.

مبدأ تشغيل المحرك الكهربائي.

من حيث المبدأ، تم تصميم المحرك الكهربائي بنفس طريقة تصميم المولد. أبسط محرك كهربائي هو الملف 1 (الشكل 1، ب)، الموجود على عضو الإنتاج 3، والذي يدور في المجال المغناطيسي للأقطاب 2. تشكل موصلات الملف ملف عضو الإنتاج.

إذا قمت بتوصيل الملف بمصدر للطاقة الكهربائية، على سبيل المثال، بشبكة كهربائية 6، فإن التيار الكهربائي سأبدأ بالتدفق عبر كل من موصلاته. هذا التيار، الذي يتفاعل مع المجال المغناطيسي للأعمدة، يخلق كهرومغناطيسيًا القوات ف.

عندما يشار في الشكل. 1، ب في اتجاه التيار، ستعمل القوة F الموجهة إلى اليمين على الموصل الموجود أسفل القطب الجنوبي، والقوة F الموجهة إلى اليسار ستعمل على الموصل الموجود أسفل القطب الشمالي. نتيجة للعمل المشترك لهذه القوى، يتم إنشاء عزم كهرومغناطيسي M، موجه عكس اتجاه عقارب الساعة، مما يتسبب في دوران عضو الإنتاج والموصل بتردد معين n. إذا قمت بتوصيل عمود المحرك بأي آلية أو جهاز 7 (مجموعة عجلات قاطرة ديزل أو كهربائية، أداة آلية، وما إلى ذلك)، فإن المحرك الكهربائي سوف يتسبب في تدوير هذا الجهاز، أي يمنحه طاقة ميكانيكية. في هذه الحالة، سيتم توجيه العزم الخارجي Mvn الذي تم إنشاؤه بواسطة هذا الجهاز ضد العزم الكهرومغناطيسي M.

دعونا نكتشف سبب استهلاك الطاقة الكهربائية عندما يدور عضو المحرك الكهربائي الذي يعمل تحت الحمل. كما تم إثباته، عندما تدور موصلات عضو الإنتاج في مجال مغناطيسي، يتم حث e في كل موصل. د.يتم تحديد اتجاهه بواسطة قاعدة اليد اليمنى. لذلك، مع البيانات الموضحة في الشكل. 1، ب اتجاه الدوران ه. د.س. e المستحث في موصل يقع تحت القطب الجنوبي سيتم توجيهه بعيدًا عنا، و e. د.س. e، المستحث في موصل يقع تحت القطب الشمالي، سيتم توجيهه نحونا. من الشكل. 1، ب من الواضح أن ه. د.س. e، المستحثة في كل موصل، موجهة ضد التيار، أي أنها تمنع مروره عبر الموصلات.

لكي يستمر التيار i في التدفق عبر موصلات عضو الإنتاج في نفس الاتجاه، أي لكي يستمر المحرك الكهربائي في العمل بشكل طبيعي ويطور عزم الدوران المطلوب، من الضروري تطبيق جهد خارجي U على هذه الموصلات، موجهة نحو ه. د.س. وأكبر حجمًا من إجمالي e . د.س. E المستحث في جميع الموصلات المتصلة بالسلسلة لملف عضو الإنتاج. ولذلك فمن الضروري تزويد الطاقة الكهربائية للمحرك الكهربائي من الشبكة.

في حالة عدم وجود حمل (عزم الكبح الخارجي المطبق على عمود المحرك)، يستهلك المحرك الكهربائي كمية صغيرة من الطاقة الكهربائية من مصدر خارجي (مصدر رئيسي) ويمر عبره تيار صغير بدون حمل. يتم إنفاق هذه الطاقة لتغطية فقدان الطاقة الداخلية في الجهاز.

مع زيادة الحمل، يزداد التيار الذي يستهلكه المحرك الكهربائي وعزم الدوران الكهرومغناطيسي الذي يطوره. وبالتالي فإن زيادة الطاقة الميكانيكية التي يوفرها المحرك الكهربائي مع زيادة الحمل تلقائيا تؤدي إلى زيادة الكهرباء التي يأخذها من المصدر.

من ظروف تشغيل المحرك الكهربائي التي تمت مناقشتها أعلاه، يتبين أنه يتميز بما يلي:

1. مصادفة في اتجاه العزم الكهرومغناطيسي M وسرعة الدوران n.

وهذا ما يميز إنتاج الآلة من الطاقة الميكانيكية؛

2. حدوث ه. في الموصلات من لف حديد التسليح. d.s.، موجه ضد التيار i والجهد الخارجي U. وهذا يعني حاجة الجهاز لتلقي الطاقة الكهربائية من الخارج.

مبدأ عكس الآلات الكهربائية

وبالنظر إلى مبدأ تشغيل المولد والمحرك الكهربائي، وجدنا أنهما مصممان بنفس الطريقة وأن تشغيل هذه الآلات لديه الكثير من القواسم المشتركة.

ترتبط عملية تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية في المولد والطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية في المحرك بتحريض e. د.س. في عضو الإنتاج، تدور الموصلات المتعرجة في مجال مغناطيسي وظهور قوى كهرومغناطيسية نتيجة تفاعل المجال المغناطيسي والموصلات مع التيار.

الفرق بين المولد والمحرك الكهربائي هو فقط في الاتجاه النسبي لـ e. د. التيار والعزم الكهرومغناطيسي وسرعة الدوران. يمكننا تلخيص العمليات المدروسة لتشغيل المولد والمحرك الكهربائيمبدأ عكس الآلات الكهربائية . وفقا لهذا المبدأ

يمكن لأي آلة كهربائية أن تعمل كمولد ومحرك كهربائي وتتحول من وضع المولد إلى وضع المحرك والعكس.

لتوضيح هذا الموقف، دعونا ننظر في العمل في ظل ظروف مختلفة. إذا كان الجهد الخارجي U أكبر من الإجمالي e. د.س. E. في جميع الموصلات المتصلة بسلسلة من لف حديد التسليح، فإن التيار سوف يتدفق في الاتجاه المشار إليه في الشكل. 2، وفي الاتجاه الذي ستعمل فيه الآلة كمحرك كهربائي، يستهلك الطاقة الكهربائية من الشبكة ويطلق الطاقة الميكانيكية.

ومع ذلك، إذا لأي سبب من الأسباب ه. د.س. يصبح E أكبر من الجهد الخارجي U، ثم التيار I في ملف عضو الإنتاج سيغير اتجاهه (الشكل 2، ب) وسوف يتزامن مع e. د.س. E. في هذه الحالة، سيتغير أيضًا اتجاه اللحظة الكهرومغناطيسية M، والتي سيتم توجيهها ضد سرعة الدوران n. صدفة في الاتجاه ه. د.س. E والتيار I يعني أن الآلة قد بدأت بتزويد الشبكة بالطاقة الكهربائية، وظهور عزم كهرومغناطيسي للكبح M يدل على أنها يجب أن تستهلك طاقة ميكانيكية من الخارج.

لذلك، عندما ه. د.س. E، المستحث في موصلات لف عضو الإنتاج، يصبح أكبر من جهد الشبكة U، الذي تنتقل منه الآلة وضع المحركالعمل في المولد، أي في E< U تعمل الآلة كمحرك، وعندما تكون E > U تعمل كمولد.

يمكن إجراء نقل الآلة الكهربائية من وضع المحرك إلى وضع المولد بطرق مختلفة: تقليل الجهد U للمصدر الذي يتصل به ملف عضو الإنتاج أو زيادة e. د.س. E في لف حديد التسليح.

أسئلة وأجوبة الامتحان في الانضباط

"منشآت الطاقة والمعدات الكهربائية للسفينة" ،

لطلاب السنة الثانية "ملاحة"

الفصل الدراسي الثالث.

1. مبادئ تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية وبالعكس.

تم تصميم الآلات الكهربائية لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية (مولدات) والطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية (محركات). يعتمد مبدأ تشغيل جميع الآلات الكهربائية علىقانون الحث الكهرومغناطيسيوظهور القوة الكهرومغناطيسية.

عندما يتحرك موصل مستقيم، مغلق من خلال دائرة خارجية أمام الحمل، بسرعة ثابتة في مجال مغناطيسي منتظم، يتم إحداث قوة دافعة كهربية ثابتة في الموصل. مع. الحث الكهرومغناطيسي، وينشأ تيار كهربائي في دائرة مغلقة (الشكل 22، أ) . الاتجاه ه. د.س. في الموصل يتم تحديده بواسطة قاعدة اليد اليمنى (الشكل 22،ج)، ويتم تحديد قيمته بواسطة الصيغة

ه= خطيئة بلفأ،(21)

أين في- الحث المغناطيسي، الذي يميز شدة المجال المغناطيسي؛ ل - الطول النشط للموصل الذي اخترقته خطوط المجال المغناطيسي، م؛ ضد - سرعة حركة الموصل في مجال مغناطيسي م/ث: أ - الزاوية بين اتجاه سرعة حركة الموصل واتجاه ناقل الحث المغناطيسي.

إذا تحرك الموصل بشكل عمودي على خطوط المجال المغناطيسي، فإن a = 90°، a e. د.س. سيكون الحد الأقصى:

يتزامن اتجاه التيار في الموصل مع اتجاه e. د.س.

تؤثر القوة الكهرومغناطيسية (N) على موصل يحمل تيارًا، وتمنع هذه القوة الموصل من التحرك في مجال مغناطيسي. يتم تحديد اتجاه القوة الكهرومغناطيسية بواسطة قاعدة اليد اليسرى (الشكل 22 د). وللتغلب عليه، هناك حاجة إلى قوة خارجية. لكي يتحرك الموصل بسرعة ثابتة، فمن الضروري نعلق الخارجيةقوة, متساوية في الحجم ومعاكسة للقوة الكهرومغناطيسية.

ويترتب على ما سبق ذلك القوة الميكانيكية, يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية تنفق على حركة موصل في المجال المغناطيسي في دائرة الموصل .

في مولدات السفن، يتم إنشاء القوة الخارجية بواسطة المحركات الأولية (الديزل والتوربينات).

تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. عند تمرير تيار كهربائي في اتجاه واحد عبر موصل مستقيم يقع في مجال مغناطيسي منتظم، تنشأ قوة كهرومغناطيسية , تحت تأثيره يتحرك الموصل في مجال مغناطيسي بسرعة خطية V(الشكل 22، ب) يتزامن اتجاه حركة الموصل مع اتجاه عمل القوة الكهرومغناطيسية ويتم تحديده بواسطة قاعدة اليد اليسرى. أثناء حركة الموصل، يتم تحفيز القوة الدافعة الكهربية فيه. , موجهة ضد الجهد U مصدر للكهرباء. يتم إنفاق جزء من هذا الجهد على المقاومة الداخلية للموصل R.

وهكذا يتم تحويل الطاقة الكهربائية الموجودة في الموصل إلى

ميكانيكي ويتم إنفاقه جزئيًا على فقدان حرارة الموصل وعلى هذا المبدأ يعتمد تشغيل المحركات الكهربائية.

2. مبادئ الحصول على التيار المتردد والمباشر.

في الآلات الكهربائية الحقيقية، يتم تصنيع الموصلات هيكليًا على شكل إطارات. لتقليل المقاومة المغناطيسية للآلة، وبالتالي زيادة القيم الإلكترونية. د.س. والكفاءة في المولدات وعزم الدوران والكفاءة في المحركات الكهربائية، يتم وضع الجوانب النشطة للإطار في أخاديد قلب فولاذي أسطواني (حديد التسليح)، والذي، مع الإطار المتصل به، يمكن أن يدور بحرية في مجال مغناطيسي. لنفس الغرض يتم إعطاء أقطاب المغناطيس شكل خاص، حيث يتم توجيه خطوط المجال دائمًا بشكل عمودي على اتجاه حركة الجوانب النشطة للإطار، ويتم توزيع الحث المغناطيسي في فجوة الهواء بين القطبين وعضو الإنتاج بالتساوي (الشكل 23، أ).

إذا تم، بمساعدة قوة خارجية، تدوير المحرك مع الإطار في المجال المغناطيسي للأعمدة، فعندئذ وفقًا لقانون الحث الكهرومغناطيسي في الجوانب النشطة أبوالقرص المضغوط يتم إحداث الإطارات بواسطة e. د.موجهة في اتجاه واحد وقابلة للجمع.

عندما تمر الجوانب النشطة عبر مستوى متعامد مع المجال المغناطيسي، على سبيل المثال. د.س. تغيير اتجاههم. في الإطار، سوف يعمل المجال الكهرومغناطيسي، وهو متغير من حيث الحجم والاتجاه. إذا كانت نهايات الإطار متصلة بهدف خارجي من خلال حلقات الانزلاق، فسوف يتدفق التيار المتردد في الدائرة.

الشكل 23 مبدأ الحصول على التيار المتردد

1- فرش . 2 - حلقات الانزلاق, 3 - قلب فولاذي 4 -إطار

للتصحيح الحاليالآلة الكهربائية مزودة بجهاز خاص - جامع. يتكون أبسط المجمع من حلقتين نصفيتين معزولتين، يتم ربط نهايتي إطار يدور في مجال مغناطيسي بهما (الشكل 24 أ).

يتم توصيل لوحات المبدل بالدائرة الخارجية باستخدام فرش ثابتة، تنزلق أسطح العمل الخاصة بها بحرية على طول المبدل الدوار. 2. يتم تثبيت الفرش الموجودة على العاكس بحيث تنتقل من نصف حلقة إلى أخرى في الوقت الذي يحدث فيه الانبعاث في الإطار. د.س. يساوي الصفر. عند تدويره بزاوية 90 درجة، عندما يتخذ الإطار وضعًا أفقيًا، يوجد على سبيل المثال موصلاته. د.س. لا يحدث ذلك، لأنها لا تعبر المجال المغناطيسي. التيار في الدائرة هو أيضا صفر.

الشكل 24. مبدأ الحصول على التيار المباشر

عند التحرك بمقدار 90* أخرى، سيتخذ الإطار مرة أخرى وضعًا رأسيًا، وستغير موصلاته أماكنه واتجاهه. d.s والتيار فيها سوف يتغير. بما أن الفرش بلا حراك، ثم إلى الفرشاة 3 (+) لا يزال التيار من الإطار يقترب ثم يتم توجيهه عبر جهاز الاستقبال إلى الفرشاة 1 (-). وهكذا، في الدائرة الخارجية لا يتغير اتجاه التيار.

يظهر الرسم البياني للEMD والتيار المصحح في الشكل. 24.6. التيار المعدل له طابع نابض. يمكن تقليل تموج التيار عن طريق زيادة عدد الإطارات التي تدور في المجال المغناطيسي للآلة، وبالتالي عدد لوحات التجميع.